在科幻电影中最具标志性的场景之一中，卢克·天行者随意地检查着他的新合成前臂和手。《星球大战》英雄能够通过伸展和收缩手腕处开放襟翼显示的活塞来移动手指。然后他感觉到机器人外科医生针扎其中一个手指。假肢不仅可以通过天行者的思想来移动，而且感觉对他来说就像他自己的手。
然而，观众看不到的是人和机器之间的实际连接。然而，对于像我们这样的神经科学家来说，正是这种隐藏的界面应该成为场景的中心。为了使这种连接能够工作，它必须将来自大脑的神经冲动转换为人造手臂中的电信号，反之亦然。然而，在电影之外的世界中，没有人能够弄清楚如何将神经和电线拼接在一起，使其能够像控制身体的自然延伸一样控制人造肢体。
失败并不令人惊讶。首先，神经和调节假肢电子元件所需的电线传输的是完全不同类型的信号。电子设备依赖于电子在导电材料中以及通过半导体和晶体管的流动；神经系统依赖于细胞膜的去极化和神经细胞之间间隙中信号化学物质的释放。其次，这种连接需要将电线和其他类型的电子元件植入体内，而身体通常会将此类植入物视为异物，从而引发攻击，从而在界面周围产生疤痕组织并扰乱其功能。
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然而，过去几年纳米技术和组织工程的进步正在应对这两项挑战。我们和其他人并没有试图强迫神经直接与现代假肢中的标准电子元件进行通信，而是正在神经和人造肢体之间构建新型桥梁——利用神经系统适应新情况的内在能力的连接。事实上，最近实验室的研究使我们更接近于开发一种人造肢体的目标，就像卢克·天行者的肢体一样，可以被大脑移动和感知。
结合运动和感觉输入
无论好坏，假肢设计的许多进步都是武装冲突的结果——最近的是阿富汗和伊拉克战争。然而，在过去几年之前，设计师更多地关注下半身的假肢而不是上半身。开发允许用户行走和跑步的假肢腿比设计能够让用户打开罐子或在电脑键盘上盲打的人造手更直接的工程命题。自2006年国防高级研究计划局启动“革命性假肢计划”以来，研究人员在创建复杂的人造上肢方面也取得了令人瞩目的进展。
设计高度功能性上肢的部分挑战是需要复制（至少部分地）手精细的精细运动控制。这项工作需要能够利用大脑自身的心理地图，大脑使用这些地图将神经信号传输到控制前臂的特定肌肉纤维，并了解何时接收来自手臂和手的关于压力、位置、张力、动量和力量的神经信号，以及这些信息来自何处。这种感觉反馈有助于大脑确定应该招募多少肌肉纤维来为任何给定的努力提供动力。
在完整的肢体中，这些运动和感觉信号协同工作，创造出，除其他外，一种被称为本体感觉的感觉——在不必实际看到身体各个部位的情况下，意识到身体各个部位在空间中以及彼此之间的位置。如果没有本体感觉，即使是看似简单的任务，例如用笔书写，也几乎是不可能的。由于从大脑到四肢再返回的神经系统信号的交响乐，您能够将手精确地移动到笔，轻轻抬起笔，同时无缝地将其移动到位并轻轻触摸它以进行书写。
迄今为止，已经开发出允许不同、间接水平运动控制的机器人手。例如，在某些情况下，肢体残肢或胸部的肌肉的重复收缩和放松可以激活专门的继电器，从而触发人造肢体中的不同运动。然而，理想情况下，生物工程师希望构建一种与原始运动神经相连并受其控制的假肢——运动神经在截肢后不会死亡，而只是从残肢边缘稍微退缩。
然而，使用运动神经元只是愿景的一部分。即使使用当今非常先进的假肢设备，许多简单的任务仍然被证明是困难的，因为没有感觉信号从人造肢体传回大脑。截肢者必须有意识地指导假肢的每一个离散运动，依靠他们的眼睛看到的反馈而不是他们自然的本体感觉。这种程度的努力导致动作笨拙而缓慢，使人们因完成诸如扣衬衫纽扣之类的任务所需的注意力和时间而感到精疲力竭。
因此，一个关键目标是设计神经系统和假肢之间的界面，该界面允许运动和感觉信息的直接双向通信。这种“神经机械”界面将允许开发可以通过直觉思维控制并且感觉真实的人造手。包括我们自己的几个研究实验室现在正在追求这一目标。尽管我们每个人都采用了略有不同的方法，这些方法各有优势和挑战，但成功可能取决于每个人见解和技术创新的某种结合。
两种主要方法
创建身体和假肢之间有用界面的第一步是决定将其放置在神经系统的哪个位置。设计师有两个主要选择——与中枢神经系统（连接到大脑或脊髓）交互，或者更远地在周围神经系统中工作，周围神经系统主要在脊髓和身体其他部位之间延伸。
迄今为止，大多数研究人员都将大脑作为起点。侵入性最小的方法是通过头皮上或颅骨下方大脑表面上的外部电极来监听其神经活动。电极拾取来自大脑的电信号，然后计算机分析这些信号以发出所需运动的信号。这些方法具有不刺穿大脑的优点，但它们容易受到其他电子设备的干扰。电信号也是对大脑实际在做什么的相当粗略的表示，这使得计算机难以预测应该发生哪些运动。
最具侵入性的方法是将微电极阵列直接插入大脑的外层。（使用的微电极通常是高密度硅探针，每个探针的直径通常小于人类头发的宽度。）作为直接界面，这种方法具有提供极其精确和丰富数据的巨大优势——包括单个神经细胞“放电”的强度和频率。其想法是使用专门设计的软件来解码或转换此信息为适当的动作。从理论上讲，如此详细的信息将允许对人造肢体进行极其精细的控制。
直接大脑连接已经在数十人身上进行测试。在一个案例中，一位因中风而瘫痪的妇女能够仅用她的思想来引导设备，从而使用机器人手臂从容器中喝咖啡。2012年，DARPA启动了一项计划，该计划将首次使用穿透大脑的电极来控制少数失去上肢的人的最先进的假肢手臂。在这两种情况下，神经元记录电极都连接到从颅骨伸出的电线。然后信号由功能强大的计算机解码，计算机反过来将指令传递给机器人手臂。最终，研究人员希望无线传输信息，以便接受者不必拴在计算机上即可使用合成手臂。不幸的是，必要的计算机功率尚未以足够小的封装形式出现以实现内置，这在现实世界中是理想的。
另一个缺点是，大脑组织将穿透电极视为外来入侵者，并引发炎症反应，最终导致电极周围积聚微小的疤痕组织。反过来，疤痕组织呈指数级地减少了可以监测的神经细胞数量，这导致信号随着时间的推移变得越来越弱且信息量越来越少。据报道，在某些患者中，电极在植入后持续记录来自一个或多个神经元的信号数年，但这些病例是例外。研究人员现在正在寻找方法，以最大限度地减少身体对外来物体在大脑中的强烈反应。
周围神经系统的优势
这些挑战促使我们两人尝试利用周围神经系统。中枢神经系统由多达1000亿个神经细胞组成，而周围神经系统主要由纤维组成，称为轴突，它们捆绑在一起形成神经。这些轴突本质上是非常长的突起——有时长达一米——来自神经细胞，它们在中枢神经系统和身体其他部位之间传输电信号。
这些周围神经纤维中的一些将脊髓连接到肌肉，因此允许大脑通过向下发送信号到脊髓来控制运动功能。其他周围神经纤维将感觉信息——例如肢体位置、温度或触摸——从身体传递到脊柱，然后脊柱将其传递到大脑进行进一步处理。
由于肢体残肢中剩余的感觉神经通常继续发出信号，就好像它们正在接收来自缺失的手臂或腿的输入一样，许多截肢者有一种感觉，即他们失去的肢体仍然存在——这种情况被称为幻肢综合征。如果您可以将这些错误发射的感觉轴突连接到人造假肢，后者会向神经发送强信号，那么大脑会很容易地将传入信号解释为来自前臂、手和手指。
类似地，周围神经系统的运动轴突仍然能够指导运动。由于大脑保留了协调和匹配这些不同运动信号以进行不同运动的能力，因此它可以命令正确连接的人造肢体以自然的方式移动。
问题在于，除非周围轴突具有可以与之接触的生物学靶标，否则它们不会变长。此外，与中枢神经系统一样，身体往往会对植入周围神经的电线产生不良反应。
西北大学的托德·库肯和他的团队在人类志愿者中展示了一种巧妙的解决这个问题的方法：他们使用胸部的肌肉作为截肢手臂的残肢和假肢设备的内部电子元件之间的一种桥梁。首先，西北大学的科学家切断了胸部少量浅层肌肉的运动神经，使其不会接收来自大脑的任何竞争信号。然后，他们小心地重定向曾经连接脊柱和手臂断裂部分的运动轴突，以便它们现在连接到浅层胸部肌肉。在几周内，重新布线的神经完全连接（或支配）胸部肌肉。来自大脑的旨在刺激不再存在的手臂的命令现在改为传到胸部，从而导致这些肌肉收缩。
此时，电极放置在胸部的皮肤上，以记录各个肌肉收缩时的电活动。反过来，这些记录间接揭示了来自大脑的信号。经过几周的训练，患者只需考虑他们希望设备做什么就可以移动假肢设备。例如，考虑握住杯子会导致胸部出现特定的收缩模式，进而“告诉”假肢中的电子元件弯曲人造手指。
库肯和他的团队现在已经在数十名截肢者身上使用了这种方法，称为目标肌肉再神经支配。然而，这项技术是否能够提供重建真实手和手臂所有自然运动所需的精细控制还有待观察。
神经桥梁
我们认为，人造手臂的精细运动控制最终将需要活体组织和假肢之间不同类型的连接。幸运的是，肌肉不是唯一一种断裂神经会支配的组织。神经也会向其他神经生长，甚至会接受移植的神经作为家庭的一部分，可以这么说。因此，大约六年前，我们决定探索使用移植的神经纤维而不是肌肉作为残肢中切断的轴突和假肢设备的电线之间的媒介的可能性。
为了创建这样的神经桥梁，首先必须弄清楚如何生长足够长的神经纤维，以跨越宿主轴突和电子元件之间的间隙。我们中的一位（史密斯）开发了一种在细胞培养中拉伸生长的轴突的技术，以帮助它们达到所需的长度。此过程利用神经在正常生长突增期间自然伸长的能力。这种“拉伸生长”最极端的例子之一发生在蓝鲸脊髓的轴突中，它可以每天伸长超过三厘米，长度可达30米。
从本质上讲，我们取一个神经元细胞培养物并开始将其分成两部分——每天将两半拉开一点距离。中间的轴突被拉伸，因此必须在两个方向上生长以释放张力。利用这种天然的机械过程，我们开发了我们称之为轴突伸长器的设备，它可以以前所未有的实验速度每天一厘米的速度拉伸生长轴突束，这使得它们长达10厘米，最终甚至可能更长。
我们对这些拉伸生长的轴突的第一个应用之一是用作修复断裂的周围神经的活体桥梁，例如创伤或手术期间发生的断裂。当我们植入这样的轴突束，使其一端靠近大鼠断裂神经的尖端时，神经中的轴突伸出并沿着桥梁的长度生长。事实上，许多轴突已经缓慢地进入到以前瘫痪的肢体中，以至于神经完全恢复，大鼠能够恢复功能。
此外，我们确定我们的神经桥梁在移植后至少存活了四个月——所有这些都没有引发免疫反应。事实上，我们的神经桥梁在大鼠身上效果非常好，以至于我们现在正在猪身上试用它们。如果这些实验成功，我们将开始对最近遭受重大神经损伤的人进行试验。
在证明了一种指导和刺激断裂轴突显着再生长的方法后，我们接下来尝试制作一个更复杂的桥梁，使轴突能够与假肢中的电子元件进行通信。我们的愿景是找到身体不会感知为异物的细导电丝。经过一些试验和错误，我们决定使用各种导电聚合物来制造我们的细丝，其中一种是聚苯胺，一种长期以来已知可以导电的氮基有机化合物，其他人的研究表明身体可能可以耐受它。到目前为止，至少在啮齿动物的研究中，这种特殊的聚合物似乎没有引起免疫系统的强烈反应。
下一步是诱导一束实验室生长的神经元围绕这些微丝的一端生长，然后将轴突拉伸生长到宿主神经。 （微丝的另一端将通过无线发射器与假肢连接。）理想情况下，来自残肢的轴突将沿着我们拉伸的轴突生长并与细丝接触，细丝将拾取来自残肢运动轴突的电信号并将其传递给电子元件；同样，从电子元件发送的感觉信号将沿着细丝向上移动，使已经生长到桥梁中的感觉轴突去极化，从而将信息传递到脊柱和大脑。
在大鼠中使用这种方法，我们发现拉伸生长的神经组织提供了一条通路，引导宿主的再生轴突到达聚合物细丝的几十微米范围内。这足够近，不同的细丝能够记录在一个方向（向下肢体）传播的神经信号，并刺激在另一个方向（朝向大脑）传播的神经。从本质上讲，我们创建了一个简单的适配器线，将带有两种不同插头的设备连接起来。我们的生物组织（神经元及其拉伸生长的轴突）和非生物导体混合体将允许假肢中的电子元件在一端插入，而来自残肢的轴突在另一端插入。到目前为止，这些生物混合体在移植后至少存活并保持与宿主神经的整合一个月，这表明免疫系统很容易耐受它们，否则免疫系统会在几天内将其摧毁。更长时间点的进一步测试正在进行中。
下一步
虽然很有希望，但我们的神经工程生物混合方法仍处于起步阶段。我们尚不知道这些桥梁能持续多久。我们也不知道免疫系统是否会在长期内耐受基于聚合物的组件。此外，我们需要最大限度地减少来自其他电子设备的干扰，并提高从桥梁传输到假肢的各个神经信号的灵敏度。即使我们可以将来自肢体残肢的神经元连接到假肢，我们仍然无法保证大脑能够以有意义的方式解释源自假肢的信号。
手移植的经验提供了理由，让我们相信大脑可能能够胜任这项任务。在进行此类移植时，外科医生不可能将宿主到移植手的每一根神经纤维都正确连接。然而，事实证明，这种精确度是不必要的。大脑基本上会重新绘制其自身的内部地图，其中运动神经元做什么，使其最终能够获得对新手的控制。同样，驾驶连接到神经系统的机器人手可能需要对大脑进行广泛的再训练。
进一步改进假肢的控制可能需要中央和周围神经系统研究的进展相结合。然而，通过直接利用大脑，通过重新利用的胸部肌肉或跨生物混合桥梁连接，在大脑和先进假肢之间形成直接连接，为拥有一个像原始手臂一样优雅移动和感觉自然的人造手臂提供了最佳机会。尽管卢克·天行者和他的新手臂之间的界面从未在《帝国反击战》中揭示，但科学家们正在努力弄清楚它一定是如何构建的。